CN101704223B - 微磨料水射流切割头装置 - Google Patents

Abstract

本发明微磨料水射流切割头装置解决现有后混合式磨料水射流切割头可靠性差、磨料吸入不均匀、磨料流量无法精确控制、喷嘴堵塞后引起磨料输送系统失效以及微磨料水射流无法利用负压自行吸入微细磨料粒子等问题，能精确控制磨料流量。包括有混合腔的喷嘴座、装在喷嘴座上的与混合腔相通的水喷嘴、一端伸入喷嘴座中与混合腔相通的聚焦管、储料罐，其特征是有与喷嘴座连接的装有步进电机或伺服电机的电机机座，装在电机机座和喷嘴座上且与混合腔相通的螺杆泵壳，装在螺杆泵壳中的送料螺杆的一端与步进电机或伺服电机的输出轴连接，在电机机座上有与螺杆泵壳连通的送料通道，储料罐出料口通过送料管与送料通道连通。

Description

微磨料水射流切割头装置

技术领域：

本发明涉及高压磨料水射流冷切割技术领域，特别涉及一种可广泛应用于金属、半导体材料、玻璃、电子器件等的切割和工艺雕刻的微磨料水射流切割头装置。

背景技术：

高压磨料水射流作为一种冷态切割技术，具有介质成本低、清洁、环境友好，对被加工材料无热损伤等优点。磨料水射流配合数控系统可以进行任意平面图形的切割，尤其适用于高硬度、高脆性、难加工材料和复合材料等的切割加工。磨料水射流被认为是本世纪优先发展的主流切割技术，在机械制造、汽车、航空航天、军工、医疗、建筑建材等领域具有广泛的应用前景。

磨料水射流切割头是磨料水射流切割的关键部件之一。传统后混合式磨料水射流切割头通常是利用高速水射流流动所产生的负压将磨料引入切割头混合腔，通过高速水射流对固体磨料粒子的加速、混合并经聚焦管(磨料喷嘴)喷出形成高能磨料水射流束。这种切割头故障率高、磨料吸入不均匀、磨料流量无法控制，从而直接影响了其切割加工性能和加工质量。另一方面，在微磨料水射流中一般需要采用微米、亚微米甚至纳米级磨料粒子，由于微细粒子很容易吸附空气中的水分，从而增大粘性阻力，此时微磨料粒子很难利用负压吸入切割头混合腔形成微磨料水射流。

理论上，通过精确控制切割深度，磨料水射流配合数控系统可以实现平面铣削和雕刻加工。对特定材料，磨料水射流切割深度的控制，一般有三种方法：①磨料流量一定，控制走刀速度；②走刀速度一定，控制磨料流量；③同时控制走刀速度和磨料流量，从而改变其切割能力，达到不同的切割深度。由于现行切割头无法精确控制磨料流量，因此很难实现铣削和雕刻加工。

磨料水射流在切割过程中如果发生切割头堵塞，高压水可经磨料管进入磨料箱，造成磨料和管路系统受潮堵塞，磨料不能正常输送，必须停机修理。因此，解决磨料水射流系统中磨料流量的可控和喷嘴堵塞后引起磨料输送系统失效两大问题，对提高磨料水射流机床的可靠性、加工精密性和多功能性具有重要现实意义。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有后混合式磨料水射流切割头可靠性差、磨料吸入不均匀、磨料流量无法精确控制、喷嘴堵塞后引起磨料输送系统失效以及微磨料水射流无法利用负压自行吸入微细磨料粒子等问题的提供一种能精确控制磨料流量的微磨料水射流切割头装置。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明微磨料水射流切割头装置，包括有混合腔15的喷嘴座8、装在喷嘴座上的与混合腔相通的水喷嘴7、一端伸入喷嘴座中与混合腔相通的聚焦管(磨料喷嘴)4、储料罐24，其特征是有与喷嘴座连接的装有步进电机或伺服电机10的电机机座12，装在电机机座和喷嘴座上且与混合腔相通的螺杆泵壳14，装在螺杆泵壳中的送料螺杆13的第一端伸入混合腔中而第二端与步进电机或伺服电机的输出轴连接，在电机机座上有与螺杆泵壳连通的送料通道25，储料罐出料口通过送料管16与送料通道连通，微细固体磨料或浆液磨料输送采用送料螺杆实现，直接将磨料送到混合腔，磨料流量由步进或伺服电机驱动的螺杆转速决定。

上述的水喷嘴座8上有与混合腔相通的排出通道15，排出通道上装有单向阀16，防止水倒流、浸湿干磨料，避免堵塞。

上述的水喷嘴7直径为0.08～0.1mm，聚焦管(磨料喷嘴)4内径为0.10～0.15mm，集束性好，射流能量集中。

上述的储料罐24由带出料口的罐体17和与罐体连接的带顶部压缩空气进口26的罐盖20组成，罐体与罐盖连接处有罐口密封21，储料罐中通入压缩空气，固体微细磨料在一定空气压力下，经磨料送料管16进入送料螺杆13的螺旋槽。

上述的罐体内装有与罐体内壁滑动配合且带活塞密封圈18的活塞19，罐体中加入浆液磨料，活塞将浆液磨料与气体完全隔开，活塞上部通入一定压力的压缩空气，利用活塞的推力将浆液磨料经送料管16压入送料螺杆13的螺旋槽。

上述的储料罐内装有含粒子直径50nm～300nm固体颗粒的液体磨料或粒子直径5μm～25μm的固体磨料。

本发明微细磨料水射流切割头装置，利用螺杆泵送原理直接将微细磨料主动送入切割头混合腔，通过水射流对磨料粒子加速、混合并经聚焦管(磨料喷嘴)喷出形成微磨料水射流。螺杆通过步进或伺服电机驱动，螺杆转速快则磨料供给量大，转速慢则磨料供给量就小，磨料流量与步进或伺服电机的转速成线性关系，而步进电机或伺服电机的转速由控制系统发送控制脉冲来控制，因此可以通过控制脉冲的频率变化来精确控制磨料流量。为了保证磨料进入螺杆槽，在储料罐中通入一定压力的压缩空气，将储料罐中的固体磨料粒子或浆液磨料推入螺杆槽。在螺杆旋转的带动下，一定量的磨料就连续不断地送到混合腔。磨料流量的精确控制依靠螺杆转速的精确控制来实现。

实现磨料流量的精确控制以后，就可以通过建立走刀速度、磨料流量与切割深度的数学模型，从而精确控制磨料水射流切割深度。对特定材料，可以首先设定走刀速度，仅仅通过改变磨料流量来达到不同的切割深度，从而使得磨料水射流精密切割、平面铣削、雕刻和三维加工成为可能。

为了防止喷嘴堵塞后，压力水返回经螺杆槽进入储料罐浸湿磨料，在混合腔15处设有排出通道16，并在此通道上安装一个单向阀门6。正常工作时，在水射流作用下混合腔形成负压，排水通道上的单向阀门6关闭，磨料由螺杆输送直接进入混合腔15。当喷嘴堵塞时，由于螺杆与壳体之间具有一定的密封作用，混合腔的压力升高，排出通道5中的单向阀门6打开，压力水从排水通道排出，保证了磨料输送系统安全。

本发明提供一种磨料水射流直径可达100-150μm的能精确控制磨料流量的微磨料水射流切割头装置。同时可解决现有后混合式磨料水射流切割头可靠性差、磨料吸入不均匀、磨料流量无法精确控制、喷嘴易堵塞而引起磨料输送系统失效以及微磨料水射流无法利用负压自行吸入微细磨料粒子等问题。

附图说明：

图1为本发明微磨料水射流切割头装置结构示意图。

图2为有固体磨料储料罐的本发明微磨料水射流切割头装置结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

图1给出了本实施例1图。参见图1，本实施例1装置包括有混合腔15的喷嘴座8、装在喷嘴座8上的与混合腔15相通的水喷嘴7、高压水接头9、一端伸入喷嘴座8中与混合腔15相通的聚焦管(磨料喷嘴)4、送料螺杆13，与喷嘴座8连接的装有步进电机(或伺服电机)10的电机机座12，装在电机机座和喷嘴座上且与混合腔相通的螺杆泵壳14，装在螺杆泵壳中的送料螺杆13的一端与步进电机(或伺服电机)10的输出轴连接，在步进电机(或伺服电机)机座12上有与螺杆泵壳14连通的送料通道25，储料罐出料口通过送料软管16与送料通道连通。在步进电机(或伺服电机)机座与送料螺杆间装有密封圈11。送料螺杆13的螺旋槽与螺杆泵壳14之间形成密闭空间，送料螺杆13在步进电机(或伺服电机)10驱动下旋转，构成微型螺杆泵输送磨料。聚焦管(磨料喷嘴)上装有开口锥套3、喷管锁紧螺母2，喷头套1套在喷管锁紧螺母上且与喷嘴座螺纹连接。

喷嘴座8上有与混合腔15相通的排出通道5，排出通道上装有单向阀6。

水喷嘴7的直径为0.08～0.1mm。聚焦管(磨料喷嘴)4内径为0.10～0.15mm。

储料罐24由带出料口的罐体17和与罐体螺纹连接的带顶部压缩空气进口26的罐盖20组成，罐体与罐盖连接处有罐口密封21。罐体内装有与罐体内壁滑动配合且带活塞密封圈18的活塞19。

把预先按一定比例配制好的微细固体磨料与纯净水及添加剂的混合液体——浆液磨料22装入储料罐体17，然后放入带密封圈18的活塞19，活塞19的作用是将浆液磨料与气体完全隔开，从而避免空气进入水射流而破坏微磨料水射流连续性、致密性和直束性，旋上储料罐盖20，活塞上部通入一定压力的压缩空气，利用活塞19的推力将储料罐中的浆液磨料22经送料软管16压入送料螺杆13的螺旋槽，送料螺杆13在步进电机(或伺服电机)10驱动下旋转，浆液磨料22在螺旋推力作用下送入混合腔15，在高速水射流的混合、加速作用下经聚焦管(磨料喷嘴)4喷出形成微磨料水射流。浆液磨料流量完全由送料螺杆13转速决定，而送料螺杆13转速由步进电机(或伺服电机)10转速决定。通过控制系统发出不同频率的控制脉冲来控制步进电机(或伺服电机)10的转速，从而达到精确供给磨料的目的。

当聚焦管(磨料喷嘴)4堵塞后，混合腔15的压力升高，排出通道单向阀6在压力作用下自动打开，压力水经排出通道5、排出通道单向阀6顺利排出，保证磨料输送系统的安全。

实施例2：

图2给出了本实施例2用于普通磨料水射流的磨料精确输送装置示意图。本实施例2基本与实施例1同，不同处是采用固体微细磨料时，储料罐不需要活塞19及密封圈18，而采用如图2所示的储料罐。其工作原理是：储料罐中的固体微细磨料23在一定空气压力下，经磨料送料管16进入送料螺杆13的螺旋槽，送料螺杆13在步进电机(或伺服电机)10驱动下旋转，微细固体磨料在螺旋推力作用下送入混合腔15。固体磨料粒子在高速水射流的卷吸混合、加速作用下经聚焦管(磨料喷嘴)4喷出形成微磨料水射流。固体磨料流量完全由送料螺杆13转速决定，而送料螺杆13转速由步进电机(或伺服电机)10转速决定。通过控制系统发出不同频率的控制脉冲来控制步进电机(或伺服电机)10的转速，从而达到精确供给磨料的目的。

若聚焦管(磨料喷嘴)4堵塞，混合腔5的压力升高，排出通道单向阀6在压力作用下自动打开，压力水经排出通道5、排出通道单向阀6顺利排出，防止喷嘴堵塞后压力水经螺杆槽进入储料罐浸湿磨料而堵塞通道，保证磨料输送系统的安全。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (5)

1.微磨料水射流切割头装置，包括有混合腔(15)的喷嘴座(8)、装在喷嘴座上的与混合腔相通的水喷嘴(7)、一端伸入喷嘴座中与混合腔相通的聚焦管(4)、储料罐(24)，其特征在于是有与喷嘴座连接的装有步进电机或伺服电机(10)的电机机座(12)，装在电机机座和喷嘴座上且与混合腔相通的螺杆泵壳(14)，装在螺杆泵壳中的送料螺杆(13)的第一端伸入混合腔中而第二端与步进电机或伺服电机的输出轴连接，在电机机座上有与螺杆泵壳连通的送料通道(25)，储料罐出料口通过送料管(16)与送料通道连通，水喷嘴(7)直径为0.08～0.1mm，聚焦管(4)内径为0.10～0.15mm。

2.如权利要求1所述的微磨料水射流切割头装置，其特征在于喷嘴座(8)上有与混合腔相通的排出通道(5)，排出通道上装有单向阀。

3.如权利要求1或2所述的微磨料水射流切割头装置，其特征在于储料罐(24)由带出料口的罐体(17)和与罐体连接的带顶部压缩空气进口(26)的罐盖(20)组成，罐体与罐盖连接处有罐口密封(21)。

4.如权利要求1或2所述的微磨料水射流切割头装置，其特征在于罐体内装有与罐体内壁滑动配合且带活塞密封圈(18)的活塞(19)。

5.如权利要求1或2所述的微磨料水射流切割头装置，其特征在于储料罐内装有含粒子直径50nm～300nm固体颗粒的液体磨料或粒子直径5μm～25μm的固体磨料。

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